钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土在古永高速公路桥梁伸缩缝维修中的应用

刘万琴

（武威公路事业发展中心高等级公路养护中心，甘肃武威 733000）

0 引言

伸缩缝是桥梁中不可缺少的一部分，它起到承担动力荷载的作用。伸缩缝在桥梁运营过程中极容易损坏，对混凝土性能要求相对更高。古永高速公路于2002年建成通车，其中武威过境段2006年12月建成通车。全线均采用全封闭双向四车道高速公路建设标准，总共386 座桥梁。经过几年的运营，部分桥梁伸缩缝出现了不同程度的破损。2020年的养护维修工程中，伸缩缝维修使用了钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土，此项技术的引用大大缩短了施工工期。

1 钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土的技术特点

钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土具有早强、高强、高抗渗、高抗冻、耐蚀、低碱和低生产能耗等基本特点，契合高速公路养护维修工程中工期短、开放交通早、要求强度高等实际需要。钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土主要有以下几个技术特点。

1.1 强度较高

传统混凝土性能相对较低，强度不高，在使用频繁的高速公路桥梁伸缩缝维修方面效果不佳，无法满足现代公路桥梁的施工要求。钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土在混凝土中掺和数量较多的短钢纤维配合制成，其性能更加优越。相比传统混凝土，在同样荷载下，钢纤维硫铝酸盐混凝土抗形变能力更强，变形幅度远远低于普通混凝土。公路桥梁采用钢纤维硫铝酸盐混凝土进行养护，能够降低桥梁出现裂缝的概率，为人们出行安全提供保障。

1.2 抗裂性好

钢纤维硫铝酸盐混凝土虽然比普通混凝土重，但用于公路桥梁施工后，产生的副作用较少，能够有效降低后期使用过程出现裂缝的风险，特别是用于伸缩缝施工中，其优异性能可以保证伸缩缝位置不会出现裂缝，使用一段时间后，伸缩缝受到多方面的作用力，变形较大，使用钢纤维硫铝酸盐混凝土可以极大改善此类问题，延长伸缩缝的使用时间，减少维修次数、降低成本。

1.3 抗外界冲击力性能好

根据试验研究分析，混凝土中加入钢纤维的比例不同，其性能存在一定的差异，当加入比例为2%时，钢纤维硫铝酸盐混凝土性能提高50 倍，具有较高的抗外界冲击能力，高速桥梁伸缩缝每天受到不同程度的冲击，采用钢纤维硫铝酸盐混凝土可以保证其在受到冲击的过程中具有较高的抵抗性，避免伸缩缝出现问题。

2 各种材料的技术要求

2.1 石料的技术要求

混凝土中集料的选用没有沥青混凝土中集料的要求高，但要求石料具备良好的坚固性。该工程中粗集料采用的是永登新联料场生产的5～10mm、10～20mm 碎石。经检测，粗集料坚硬、清洁、干燥、无风化、无杂质、粒径符合规范要求。细集料采用武威四坝料场水洗干净的中粗砂。

2.2 硫铝酸盐水泥的技术要求

硫铝酸盐水泥采用景泰景顺特种水泥厂生产的专用水泥，该水泥属于快硬硫铝酸盐水泥的一种，具备以下技术特点。

2.2.1 早强高强性能

该类型水泥具有很好的早期强度，并且在后期养护中强度还能继续增长。同时，该品种水泥能可以满足水泥凝结时间要求，有利于施工和运输。通过试验检测得到该水泥1d 抗压强度可到达35～50MPa，抗折强度接近7.5MPa。3d 抗压强度和抗折强度分别高达70MPa 和8.5MPa。

2.2.2 高抗冻性能

硫铝酸盐水泥具有良好的抗冻性能，当环境温度为0～10oC 时，其强度为普通硅酸盐水泥的8 倍，当环境温度在-20～0oC 时，该水泥添加适量防冻剂后，只要保证混凝土入模温度不低于5oC，便可正常施工，不影响施工进度。

2.2.3 耐腐蚀性能

该水泥表现出优异的耐腐蚀性能，在经过实验研究后发现，硫铝酸盐水泥对氯盐、海水以及硫酸盐等具有非常强的抗腐蚀能力，用于桥梁伸缩缝施工非常合适。

2.2.4 保护钢筋性能

快硬硫铝酸盐水泥是一种弱碱性的水泥，pH 值小于12，所以该水泥难以形成对钢筋具有保护作用的钝化膜。早期混凝土中含有一定的水分和空气，导致钢筋出现微弱腐蚀的情况，但是随着龄期增加，混凝土中不再有水分和空气，这种腐蚀逐渐减弱。经过试验室长期研究和观察，快硬硫铝酸盐水泥中加入碱性外加剂，提高酸碱度，钢筋表面会形成钝化膜，保护钢筋不被腐蚀。

2.3 外加剂的技术指标

外加剂是混凝土不可缺少的辅助材料，在混凝土中加入一定量的外加剂，可以进一步改善混凝土性能，提高混凝土质量，减少混凝土用水量，不仅可以加快施工进度，还能节约材料成本。该项目钢纤维硫铝酸盐混凝土主要添加缓凝剂和减水剂。缓凝剂能够延缓混凝土的硬化时间、便于运输和施工、配合施工所需时间。该高速公路桥梁伸缩缝维修施工采用十六合四硼酸作为缓凝剂，解决钢纤维硫铝酸盐水泥初凝时间较短导致施工难度增加的问题。减水剂是混凝土重要的添加剂之一，它能够保证混凝土在坍落度不变的情况下，减少拌和时用水量。该工程中采用的是甘肃铁科鼎盛工程材料有限公司生产的钢纤维，养护研究院调配的缓凝减水剂，添加量为2%～2.5%。

3 配合比设计

与普通混凝土配合比设计类似，钢纤维硫铝酸盐混凝土同样要采用计算法设计配合比。工程施工前期按照养护研究院提供的目标配合比调配了多种施工配合比。在实验室成型3 组试块，保持室温28oC 的情况下，成型1h 后脱模，脱模后进行养生，并在成型后3h、1d、3d 进行了抗压强度试验，最终确定适宜的施工配合比。

3.1 混凝土抗折强度和抗压强度

根据设计要求或工程强度要求，也可以根据混凝土强度的标准值确定。

3.2 水灰比

通常控制在0.45～0.50，但要根据混凝土抗压强度进行计算得到具体值，可以用普通混凝土水灰比的计算公式求取。

3.3 钢纤维体积率

结合抗折强度实验数据，根据规范规定计算，通常控制在1.0%～1.5%之间。

3.4 单位体积用水量

一般通过试验方式确定，当混凝土掺和外加剂时则要综合考虑。

3.5 砂率

根据施工现场材料种类、水灰比以及钢纤维体积率等参数值合理选择，大致范围为1.1%～1.6%。

3.6 配合比

以体积为单位，计算各原料比例。

3.7 性能检测

按照配合比制定混凝土检测方案，制样进行性能检测，并根据施工要求进行调整。

4 施工控制

4.1 钢纤维的质量检验

钢纤维检验要求如下：第一，每次到货抽检10 根以上，长度偏差低于标准长度的10%。第二，钢纤维尺寸合格率超过90%，每次抽检100 根，使用天平和游标卡尺完成检验。第三，钢纤维抗拉强度不得低于380MPa。第四，钢纤维抗折性能每次抽检不低于10根，要求Φ3mm 尺寸钢筋弯折90o不断。第五，通过目检，确认钢纤维表面无杂质、油污等，以免影响钢纤维黏结性能。

4.2 原材料的检验

此次维修养护施工所采用的材料均符合有关标准，满足高速公路施工技术规范，到场材料均已经过检查和检验，能够出具质量合格证书。

4.3 钢纤维硫铝酸盐混凝土的检验

钢纤维硫铝酸盐混凝土检验需要重点关注和易性、水灰比以及坍落度等关键指标。通过控制上述指标设计配合比，拌和得到混凝土后，观察混凝土中钢纤维的分布情况，若出现钢纤维结团的现象，则需要延长拌和时间，使钢纤维均匀分布。

4.4 凿除旧伸缩缝混凝土，取出伸缩缝构件

高速公路桥梁伸缩缝维修首先要凿除旧的混凝土，清理干净后取出伸缩缝构件。施工中要注意采用小型的破碎机，比如电镐、小铁凿等，注意控制范围，避免梁头端受到破坏。鉴于施工采用半幅施工方式，所以在伸缩缝中点部位切割开。这种施工方式能够避免车辆行驶导致桥梁构件震动而损坏桥梁。由于范围小，施工相对方便，仅凿除伸缩缝区域内的混凝土不会对桥面铺装混凝土造成破坏。

4.5 清除缝内杂物

在维修过程中，要及时清理干净伸缩缝内的杂物，同时还要严格控制伸缩缝内的酸碱杂质，否则会加快混凝土的损坏。还要保证预埋在台背及梁端的钢件齐平切除，避免在浇筑混凝土过程中连接成块，导致伸缩缝无法自由伸缩。

4.6 混凝土拌和

钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土的拌和必须严格按照设计的配合比进行，在拌和之前，按照比例称量各种材料。考虑到高速公路桥梁伸缩缝维修的施工总量少，所以对此类施工采用人工投料的方式进行生产，过程中要严格注意以下事项：

第一，混凝土拌和前要将设备清洗干净，并且杜绝混入硅酸盐水泥。第二，施工前要测定砂石含水率，根据施工时期的天气变化及时调整施工用料比例，避免钢纤维硫铝酸盐水泥中钢纤维缠绕成团。第三，按照以下程序进行：预先搅拌粗集料和钢纤维，然后投入细集料、水泥、外加剂和水搅拌均匀，搅拌时间应适当延长。此操作的目的是限制混凝土裂缝的扩展，增强其抗弯、抗剪及抗拉强度，提高混凝土质量、耐久性与抗冲击能力。使原本属于脆性材料的混凝土变成具有一定塑性能的复合材料。第四，加入缓凝剂，保证施工过程中有足够的时间浇筑、振捣及整平。根据研究分析，缓凝剂掺量应为水泥质量的2%。缓凝剂添加量不足，则无法延长初凝时间，导致混凝土施工还没有完成就开始初凝，缓凝剂添加量过多，则初凝时间过长，达不到预期目的，还会影响混凝土后期强度。

4.7 混凝土浇筑

钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土浇筑程序与普通混凝土浇筑过程一样。该工程伸缩缝混凝土浇筑厚20cm。

第一，采用插入插入式震动棒震动密实后，再用平板震动器振动混凝土表面，最后用抹子找平。在浇筑混凝土时，应控制浇筑高度，使其与老桥面两侧平齐，不得超过老桥面高度，也不能比老桥面高度低。

第二，施工中各个工序要紧密配合，混凝土浇筑时立即插入式振捣器振捣。一旦时间过长，混凝土就会失去流动性，增加施工难度。一旦混凝土坍落度过低，施工过程操作会面临困难。由于严禁二次加水搅拌，导致混凝土接近初凝时失去流动性后被遗弃。

4.8 混凝土的养护

钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土要重视早期养护，当施工完成后，要及时用浸湿的草袋或塑料薄膜覆盖工作面。当气温在20oC 以上时，钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土会在半小时左右终凝，此时要立即浇水养护。

4.9 开放交通

在伸缩缝施工过程中，采用同样性质的混凝土制作试块，保证伸缩缝维修部位和试块在同等条件下养生，24h 后对试块进行抗压强度测试，当混凝土强度超过设计值的80%时，就可以开放交通，对另外一个车道进行施工。

4.10 施工技术注意事项

钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土对水灰比要求极高，在设计配合比时，要根据施工要求进行合理控制，当气候条件不好，如刮风下雨时，要禁止施工。出现阴雨天气时也要及时停止施工，并且使用土工布将施工完成的部分全部覆盖，避免尚未凝固的混凝土受到雨水冲刷而破坏，影响工程质量。当降水量较大时且施工接近末尾时，可以搭建临时防雨棚加快施工，完成剩余部分。钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土拌和需要使用滚动式拌和设备，拌和过程中，各配合原料需要按照顺序投入，先干拌约80s，初步混合后加入水拌和100s，拌和时间可以适当调整，但要保证干拌和湿拌时间在300s 以内。钢纤维投放分3 次进行，适当控制时间间隔，以拌和时不出现结团现象为宜。不仅如此，还要根据拌和时的天气情况，适当地调整水量，为提高混凝土的和易性，最好在环境温度低于22oC 时进行施工，并且在施工完后要用湿润的土工布将其覆盖养生。

5 施工工艺

此次施工工艺如下：第一，做好准备工作，在混凝土施工之前，首先要将破损的桥面铺装进行清除，并进一步清理干净桥面，然后才能将水泥浆均匀地喷洒在桥面上。第二，仔细检查维修区域钢筋网片，保证钢筋搭接部分正常，若发现错位的情况，要摆正它们的位置。第三，钢纤维硫铝酸盐混凝土铺到桥面上以后，要人工进行找平，然后振捣，最后用振平板粗平，粗平时要保证重叠为1/2。第四，振平后再进行滚动碾压和滚平提浆，确保钢纤维没有外露。第五，精平使用3m 长的铝合金方尺，从模板一侧向外刮平，注意在刮平过程中要保证交叉1/3 以上。第六，待混凝土初凝后，拉毛处理使桥面粗糙。第七，最后采用湿润的透水土工布覆盖养生。

6 结论

综上所述，钢纤维硫铝酸盐混凝土各项性能均要强于普通混凝土，文章详细研究了该混凝土在古永高速桥梁伸缩缝维修的实践应用，得出以下结论：

其一，钢纤维硫铝酸盐混凝土1d 抗压强度就可到达35～50MPa，抗折强度接近7.5MPa。3d 抗压强度和抗折强度分别高达70MPa 和8.5MPa，当环境温度为0～10oC 时，其强度为普通硅酸盐水泥的8 倍。其二，采用钢纤维混凝土施工时特别要注意拌和时间以及配合比，保证钢纤维分布的均匀性和连续性。其三，钢纤维硫铝酸盐水泥混凝土能够完全满足古永高速桥梁伸缩缝维修施工要求，并且有利于缩短施工周期，值得大力推广使用。